Тепловые явления в жизни человека занимают огромное значение. С ними мы сталкиваемся и во время прогноза погоды, и во время кипячения обычной воды. С тепловыми явлениями связаны такие процессы, как создание новых материалов, плавление металлов, сгорание топлива, создание новых видов топлива для автомобилей и самолетов и т. д.
Температура является одним из важнейших понятий, связанных с тепловыми явлениями, так как зачастую именно температура является важнейшей характеристикой протекания тепловых процессов.
Тепловые явления и температура
Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния ( плавление льда, нагревание и испарения воды).
Все тепловые явления связаны с температурой.
Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия. Главной характеристикой теплового равновесия является температура
Температура – это мера «нагретости» тела.
Поскольку температура является физической величиной, то ее можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо – «тепло», метрео – «измеряю») (рис. 1).
Рис.1. Термометр
Термоскоп Галилея
Первый термометр (а точнее, его аналог) изобрел Галилео Галилей (рис. 2).
Рис. 2. Галилео Галилей (1564-1642)
Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом. Действие любого термометр основано на следующем принципе: физические свойства вещества изменяются в зависимости от температуры.
Опыт Галилея состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил ее водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако в результате в ножке остался определенный уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении – сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).
Эта идея и легла в основу первого термоскопа, который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).
Градусные шкалы
В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово градус в переводе с латинского означает «ступень».
На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.
- Шкала Цельсия
Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому – шкала Цельсия.
Андерс Цельсий (рис. 3) – шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: – температура кипения воды; – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевернутой шкале Цельсия.
Рис. 3. Андрес Цельсий (1701-1744)
Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.
- 2. Шкала Фаренгейта
В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.
Габриель Фаренгейт (рис. 4) – немецкий исследователь, инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.
Рис. 4. Габриель Фаренгейт (1686-1736)
- Шкала Реомюра
Техническая шкала придумана французским исследователем Р.А. Реомюром (рис. 5). По этой шкале соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.
Рис. 5. Рене Антуан Реомюр (1683-1757)
В физике в основном используется так называемая абсолютная шкала – шкала Кельвина (рис. 6). 1 градус по Цельсию равен 1 градусу по Кельвину, однако температура в соответствует приблизительно (рис. 7).
Рис. 6. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907)
Рис. 7. Температурные шкалы
Тепловое и Броуновское движение
Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании тело расширяется, при охлаждении – сужается). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать и объем увеличивается.
Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твердым, и к жидким, и к газообразным телам).
Движение частиц в газах является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).
Движение частиц в жидкостях является «скачкообразным», то есть молекулы ведут «оседлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.
Движение частиц в твердых телах называется колебательным.
Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение). Это движение никогда не останавливается (пока у тела есть температура). Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун, по имени которого данное движение называют броуновским движением.
На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно . Именно при такой температуре замирает движение частиц (однако не замирает движение внутри самих частиц).
